Инженерно-геологические особенности сарматских глин краевых прогибов юга Русской платформы

На правах рукописи

Инженерно-геологические особенности

сарматских глин краевых прогибов юга

Русской платформы

Специальность: 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Волгоград, 2011г

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

кандидат геолого-минералогических наук , Главное управление архитектуры и градостроительства администрации Волгоградской области

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Защита состоится «15» июня 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.02 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете , аудитория 203Б.

Факс (84

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета»

Автореферат разослан «10» мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Промышленно-хозяйственное освоение территорий неизбежно влечет за собой нарушение баланса компонентов природной среды. В результате изменяется режим подземных вод, увеличивается влажность массивов глинистых пород, может происходить их подтопление, сопровождаемое набуханием грунтов в основаниях сооружений и образованием оползней на склонах.

Сарматские отложения достаточно широко распространены на территории России и в сопредельных странах и находятся в пределах глубин активной зоны фундаментов инженерных сооружений на территории от Карпат до Прикаспия. Наибольшую проблему для строительства представляют набухающие глины, относящиеся к структрурно-неустойчивым грунтам, которые при изменении влажности меняют свои строительные свойства. При увлажнении глин и длительном их взаимодействии с водой изменяются почти все свойства, существенно повышается сжимаемость и уменьшается прочность. Следует отметить, что в настоящее время отсутствует единая общепринятая методика прогнозирования показателей свойств глин в основаниях инженерных сооружений при их увлажнении и длительном взаимодействии с водой, сопровождаемым диффузионным выщелачиванием. Методы прогноза прочности глин на основе их кратковременного замачивания, применяемые в проектно-изыскательных организациях, не могут обеспечить надежные значения показателей удельного сцепления и угла внутреннего трения, т. к. не учитывают изменения состава и свойств глин, происходящие в течение продолжительного времени взаимодействия последних с водой. Таким образом, в связи c вышеизложенным актуальность исследований заключается в том, что в результате будет разработана методика прогноза устойчивости сарматских глин в основаниях инженерных сооружений к длительному обводнению.

Цель работы. На основе анализа инженерно-геологических особенностей сарматских глин краевых прогибов юга Русской платформы и оценки изменчивости свойств при длительном воздействии воды, разработать методику прогноза показателей их прочности в основаниях инженерных сооружений. Для достижения поставленной цели автором определены следующие задачи.

1. Дать общую геологическую характеристику территории краевых прогибов юга Русской платформы.

2. Оценить палеогеографические условия накопления осадков и формирования сарматских глин.

3. Изучить состав и свойства сарматских глин двух опорных регионов: Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья.

4. На основе анализа результатов лабораторных экспериментов с учетом опубликованных данных установить основные закономерности изменения состава и свойств сарматских глин при диффузионном выщелачивании.

5. Разработать методику прогноза показателей прочности сарматских глин при длительном воздействии воды.

Исходные материалы и личный вклад автора. При выполнении диссертационной работы использованы результаты лабораторных исследований глин, выполненные в разные годы в Институте геофизики и геологии АН Молдовы, институте «МолдГИИНТИз», различных проектных институтах Молдавии (г. Кишинев) и в Северо-Кавказском филиале ПНИИИСа (г. Ставрополь) при производстве инженерно-геологических изысканий на различных объектах и специальных работ по научно-исследовательской тематике. Кроме этого, использован обширный опубликованный материал.

Автором диссертационной работы непосредственно выполнены следующие исследования:

1.  Статистический анализ показателей свойств сарматских глин из Центрального Предкавказья.

2.  Проанализированы результаты изучения структурно-текстурных особенностей сарматских глин оптическими методами.

3.  Проанализированы результаты лабораторных определений сейсмоакустических свойств грунтов и рассчитаны регрессионные зависимости скорости распространения продольных волн от показателей свойств глин.

4.  Проанализированы результаты лабораторных исследований партии образцов глин при диффузионном выщелачивании.

5.  Выполнены расчеты и составлены таблицы эмпирических вероятностей прогнозных факторов для обоснования использования метода вероятностных аналогий при прогнозировании прочности сарматских глин.

6.  Проанализирован большой объем информации по геологии и свойствам пород.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем.

1. Установлено, что сарматские глины Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья существенно различаются по основным показателям состава, состояния и физико-механических свойств.

2. Установлено, что для слабозасоленных сарматских глин, сформировавшихся в закрытом морском бассейне, направленность процессов диффузионного выщелачивания и изменение инженерно-геологических свойств определяется количеством пирита, а так же средне - и слаборастворимых солей.

3. На примере сарматских глин доказана применимость метода вероятностных аналогий для прогноза прочности глин, подвергающихся длительному диффузионному выщелачиванию.

Практическое значение работы заключается в следующем.

1. Разработана методика прогноза показателей прочности сарматских глин Северного Причерноморья в основаниях инженерных сооружений при длительном воздействии воды, которая может найти свое применение при проектировании оснований и фундаментов инженерных сооружений на участках распространения сарматских глин на территории Украины и Молдовы.

2. Установлено, что для разработки метода прогноза прочности сарматских глин Центрального Предкавказья исследования должны быть продолжены, так как глины данного региона существенно отличаются по основным показателям состава и свойств от сарматских глин Северного Причерноморья.

3. Дана количественная оценка общей и остаточной прочности сарматских глин, предложены регрессионные зависимости для прогноза остаточной прочности глин на оползневых территориях.

4. Получены скоростные характеристики распространения сейсмоакустических волн и выявлена их связь с показателей свойств для сарматских глин природного сложения и влажности, после длительного диффузионного выщелачивания и «бесструктурных» образцов. Эти данные могут найти свое применение при оценке сейсмических свойств грунтов на сейсмоопасных территориях юга России и сопредельных государств.

Кроме этого, ряд теоретических положений и методических разработок диссертации, используются автором при проведении занятий в университете со студентами, изучающими дисциплины инженерно-геологического и гидрогеологического циклов.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Основными факторами, определившими различия в показателях состава и свойств сарматских глин Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья явились: генетические – различная соленость Сарматского моря в его восточной и западной частях и зональные климатические – различная степень увлажнения территории в послесарматское время.

2. Направленность химических процессов, обуславливающих различное изменение состава и свойств слабозасоленных сарматских глин Северного Причерноморья при диффузионном выщелачивании, определяется степенью их выветрелости и различным содержанием в исходном состоянии пирита.

3. Прогноз показателей прочности сарматских глин, подверженных длительному воздействию воды в основании инженерных сооружений, может осуществляться методом вероятностных аналогий с использованием типизации глин по устойчивости к обводнению и расчитанных автором эмпирических оценок вероятностей прогнозных признаков для территории – аналога.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена большим количеством фактических данных, полученных в метрологических аттестованных лабораториях АН Молдовы, институте МолГИИНТИз, СКФ ПНИИИС, статистически представительными выборками данных, корректным применением методов обработки инженерно-геологической информации и непротиворечивостью основных выводов и полученных автором результатов по объектам диссертационных исследований.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 – в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Апробация работы осуществлена на 6 научных форумах. Материалы исследований обсуждались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2007г); Ежегодной студенческой научно-технической конференции ВолгГАСУ (Волгоград, 2007г); Ежегодной научно-практической конференции профессоро-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ (Волгоград, 2008г); Ежегодных чтениях в РАН (Сергеевские чтения) 2008г, 2009г; V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009г); Международной научной конференции в МГУ «Актуальны вопросы инженерной геологии и экологической геологии» (Москва, 2010г).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 машинописных страницах, состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 124 наименований, содержит 17 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1.Инженерно-геологическая изученность сарматских глин

Сарматские отложения широко распространены в южной Европейской части Русской платформы и залегают по берегам Черного моря, в Крыму, на Кавказе и переходят на другую сторону Каспия. Вся территория покрытая сарматскими отложениями, представляла собой морской бассейн с несколькими небольшими заливами.

Впервые сарматские слои были отделены от остальных третичных отложений в 1847 году Гернесом в Венском бассейне. Затем геологи: Э. Зюсс, а Марни, , К. Н Паффенгольц, , В. Е Хаин, а далее уже инженеры-геологи: , , -Березовский, , , и др. детально изучали свойства сарматских глин, расширили и дополнили полученные знания. Анализ изученности проблемы позволил сделать следующие выводы.

а. За период более чем 200 летнего геологического изучения сарматских отложений (в т. ч. и глин) на территории южной части Русской платформы в основном решены проблемы их стратиграфии, литологии, генезиса, условий залегания и распространения. Установлено, что сарматские глины часто обнажаются на склонах и являются причиной образования оползней или служат основанием инженерных сооружений на значительной территории Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья.

б. Инженерно-геологические исследования сарматских глин насчитывают значительный период и проводились, в основном, в послевоенный период (начиная с 50х годов прошлого столетия). А систематические планомерные исследования выполнялись, начиная с 70х годов прошлого столетия, и были сконцентрированы в основном в двух регионах: Северном Причерноморье (на территории Молдавии и Украины) и Центральном Предкавказье (Ставропольский край).

в. Степень инженерно-геологической изученности глин обеих регионов достаточно высокая. Однако даже беглое знакомство с составом и физико-механическими свойствами грунтов наталкивает на мысль об их различии, несмотря на близкие условия залегания, распространения, одинаковый возраст и генезис. Причиной этому служат, вероятно, какие-либо постгенетические процессы, в настоящее время появляющиеся в одном регионе и отсутствующие в другом.

г. Основной проблемой инженерно-геологического изучения сарматских глин на настоящем этапе является прогноз изменения их свойств при длительном воздействии воды в основаниях инженерных сооружений. Общепринятой методики такого прогноза для глинистых грунтов в настоящее время не существует. Наиболее близко в своих исследованиях подошли к решению данной проблемы и . Первый предложил теоретические основы такого прогноза на примере грунтов Центрального Предкавказья, а второй разработал для Северного Причерноморья типизацию сарматских глин по устойчивому обводнении.

Глава 2. Основные черты геологического строения территории

Рассматриваемая территория распространения сарматских глин включает в себя: Центральное Предкавказье и Северное Причерноморье в границах (степного Крыма и междуречья Прут-Днестр). Территория Северного Кавказа по характеру рельефа разделяется на две провинции — Большой Кавказ и Предкавказье. Сарматские глины распространены на территории Предкавказья, здесь они залегаю неглубоко от поверхности или выходят на поверхность. Граница распространения на севере – это граница Ставропольского края, с. Ипатово, на юге – севернее города Черкеска, на западе - западнее г. Армавира, на востоке – Калаус-Кумское междуречье.

В Северном Причерноморье сарматские глины распространены в степном Крыму, на Керченском полуострове и в междуречье Прут-Днестр (в пределах Молдовы). Территория Молдовы, площадью 33,7 тыс. км2, расположена в основном в междуречье Прут-Днестр. Протяженность с юга на север составляет 350км, с востока на запад – 150км. На Западе граничит с Румынией, на востоке – с Украиной. Основные выводы по главе следующие.

а. Преобладающими глинистыми отложениями сармата, обнажающихся на поверхности, либо перекрытыми маломощной толщей четвертичных отложений в Северном Причерноморье являются средне - и верхнесарматские, а в Центральном Предкавказье (Ставропольский край) нижне - и среднесарматские.

б. Рельеф территории Северного Причерноморья и юго-западной части Центрального Предкавказья в целом одинаковый и представляет собой сильно изрезанную возвышенность, расчлененную овражно-балочной сетью с близкими показателями эрозионного расчленения.

в. В настоящее время на обеих территориях преобладают отрицательные неотектонические движения, пришедшие на смену положительным, на фоне локальных устойчивых поднятий (р-н Кодр). Таким образом, в неотектонический этап здесь отмечается коренная перестройка структуры, особенно в периферийных частях платформы, где тенденция к погружению преодолевалась восходящими движениями. Такая перестройка, очевидно, меняла напряжение в массивах горных пород, сформировавшихся к этому времени в обоих прогибах.

г. Обе характеризуемые территории существенно различаются по характеру увлажнения. Северное Причерноморье относится к зоне недостаточного увлажнения, а юго-западная часть Центрального Предкавказья – к увлажненной зоне и зоне избыточного увлажнения. Это, несомненно, должно найти свое отражение в физико-механических свойствах сарматских глин обеих регионов, т. к. степень увлажнения является важным постгенетическим фактором, влияющим на состояние и свойства глинистых пород.

Глава 3. Палеогеографические условия осадконакопления и формирования сарматских глин

Природа инженерно-геологических свойств сарматских глин связана с историей и режимом морского бассейна, в котором происходило накопление осадков в сарматский век, а также с последующими условиями их существования. Сарматское море, занимало площадь, как нынешнее Средиземное море и пространство от Венского бассейна до пустыни Каракумы. Это был сложный замкнутый бассейн, представляющий систему внутренних морей, соединенных друг с другом проливами. Фауна сарматского моря представляло собой несколько опресненное внутреннее море, близкое по солености к Черному морю. Эта соленость менялась, как в горизонтальном направлении, так и по времени. Сарматское море включало крупные заливы и проливы, что отразилось на характере отложений и фауне.

В районе Предкавказья выделяется два залива: Терской и Кубанский и Ставропольский пролив. У берега Кавказского острова в узкой прибрежно-мелководной зоне накапливались довольно пестрые по составу отложения. К северу морские глубины менялись, появились отложения глин. Такая обстановка сохранялась в начале сармата и первой половине века. На территории Молдовы, расположенный на месте Галицийского залива, условия накопления и формирования глинистых осадков на протяжении всего сарматского века были довольно сложными и непостоянными, о чем свидетельствуют литологические особенности, условия залегания глинистых осадков и их фаунистический состав.

Анализируя условия накопления осадков в сарматском морском бассейне отмечал, что характер фауны среднесарматского яруса подходит наиболее к фауне черноморской. Это означает, что соленость вод Сарматского моря была ниже нормальной, приближалась к солености Черного моря. А соленость замкнутого морского бассейна (каким было Сарматское море) зависит от притока воды из рек и убытие ее через испарение. Исследуя морскую фауну, убедительно доказал, что соленость воды Галицийско-Подольско-Докийской и Крымско-Кавказской частей Сарматского моря была разной. В первой – воды менее соленые, во второй - повышенной солености. Объяснение этому он находил в опреснении воды западной части Сарматского моря речными водами, стекающими с территории нынешней Восточной Европы. В то время как речной сток с Крымско-Кавказского региона был не большим. На различную соленость западной и восточной частей Сарматского моря указывает распределение пресноводного моллюска Cerithium. В сарматских отложениях Дакийского и Галицийского заливов он встречается в изобилии, а на востоке – почти полностью исчезает. Это доказывает, что сарматские слои в восточной части отлагались из более соленных вод, чем в западной части бассейне.

Таким образом, условия осадконакопления в Сарматском морском бассейне были различными. На западе в результате периодического опреснения воды речным стоком соленость уменьшалась, а на востоке, где речной сток был не столь значительным, соленость в целом была выше. В силу этого, глинистые осадки накопившиеся в более соленой воде восточной части моря, должны были сформировать глинистые породы с более повышенной минерализацией порового раствора, а осадки, сформировавшие глинистые породы в западной части моря, должны иметь невысокую минерализацию порового раствора.

Глава 4. Литологические особенности сарматских глин

Палеогеографические условия, существовавшие в сарматское время на юге Русской платформы, обусловили накопление глинистых осадков в двух краевых прогибах, в настоящее время принадлежащих к Северному Причерноморью и Центральному Предкавказью. В Сарматском море эти регионы относились соответственно к западной и восточной частям морского бассейна. Условия накопления глинистых осадков в этих двух частях были различные и в первую очередь различались соленостью морской воды. Несмотря на сходные физико-географические условия обеих территорий, одинаковое их геологическое строение и однотипный тектонический и неотектонический режимы, в настоящее время существует постгенетический процесс (фактор), влияние которого на свойства сарматских глин трудно переоценить, это – различная степень увлажнения обеих территорий: недостаточное увлажнение (Северное Причерноморье) и избыточное увлажнение (Центральное Предкавказье). Вполне закономерно ожидать, что некоторые показатели состава и свойств сарматских глин обеих регионов могут существенно различаться между собой.

В главе приведены результаты микроскопического изучения сарматских глин, которое проводилось в ИГиГ АН Молдовы на специально приготовленных шлифах при 40 и 12-480-кратном увеличении (табл. 1). Под микроскопом сарматские глины представлены в виде пелитовой массы желтовато-коричневых оттенков в Центральном Предкавказье и зеленовато-серого цвета с желтоватым оттенком в Северном Причерноморье. Глины содержат небольшое количество алевритов и тонкопесчанистого материала.

Степень дисперсности глинистых пород оценивалась по результатам гранулометрического и микроагрегатного анализов. Анализируя степень агрегированности сарматских глин Северного Причерноморья приводятся данные о распределении образцов глинистых пород Молдовы по типы структурных связей, используя при этом классификацию : коагуляционные – 3,28%, пластифицировано-коагуляционные – 42,64%, смешанные коагуляционно-цементационные – 47,525, цементационные – 6,56%. Данные, приведенные в работе для глин Центрального Предкавказья, позволяют утверждать, что степень агрегированности среднесарматских глин Центрального Предкавказья значительно выше (более чем в 2 раза), в то время как у нижнесарматских глин из этого региона она даже меньше, построены точесные графики-треугольники гранулометрического и микроагрегатного состава сарматских глин.

Минеральный состав глинистых отложений сармата изучался методами ренгеноструктурного, электро-микроскопического и термического анализов. Качественные исследования позволили установить, что сарматские глины являются полиминеральными. Основными минералами, входящими в дисперсную фракцию, являются монтмориллонит и гидрослюда, суммарное содержание которых составляет 70 – 95%. Количественные соотношения между этими двумя минералами непостоянны. У глин Северного Причерноморья содержание монтмориллонита и гидрослюды чаще всего одинаковые, в то время как в глинах Центрального Предкавказья преобладает монтмориллонит (в среднем на 20%). Такое повышенное содержание монтмориллонита у последних может быть следствием более высокой вулканической активности Кавказских гор по сравнению с Добруджской горной системой, либо следствием стадийных преобразований гидрослюды и превращение ее в монтмориллонит в более влажных условиях послесарматского времени. В виде примесей присутствует каолин, в некоторых образцах кальцит, сидерит (Центральное Предкавказье), гидроокислы железа и др. (Северное Причерноморье).

Таблица 1

Структурно-текстурные особенности сарматских глин Северного Причерноморья

(при 12 – 40 – кратном увеличении)

№ лаб	Геологический индекс	Мезоструктура (по )	Мезострктура (по )	Микроструктура (по )
тип	вид	тип	вид
1	N1S2	мегапелитовая	слоистая	горизонтальная	ориентированная	средне ориентированная
6	N1S2	мегапелитовая	пятнистая	струйчато-сгустковая	неориентированная	спутано-волокнистая
14	N1S2	алевропелитовая, реже мегапелитовая	слоистая	горизонтальная	ориентированная	слабо ориентированная
55	N1S3	алевромегалептопелитовая	беспорядочная	гнездовидная, сгустковая	неориентированная	однородная, реже спутано-волокнистая
57	N1S3	лептопелитовая	беспорядочная	гнездовидная, сгустковая	частично ориентированная, неориентированная	сетчатая, спутано-волокнистая
62	N1S3	алевромегалептопелитовая	пятнистая	стрйчатая, сгустковая, хлопьевидная	частично ориентированная	средне ориентированная, хорошо ориентированная
63	N1S2	алевромегалептопелитовая	пятнистая	гнездовидная, сгустковая	частично ориентированная	средне ориентированная, хорошо ориентированная
114	N1S3	лептопелитовая	слоистая	горизонтальная	ориентированная	однородная
237	N1S3	алевропелитовая, мегалептопелитовая	пятнистая	гнездовидная	неориентированная	слабо ориентированная
246	N1S3	лептопелитовая	слоистая	горизонтальная	ориентированная

Определение состава и содержание водно-растворимых солей сарматских глин проводились по результатам водных и солянокислых вытяжек, а карбонатов – кальциметрическим методом. Содержание органического вещества определяли по методике Тюрина. Анализ данных показал, что сарматские глины на территории Северного Причерноморья относятся к незасоленным, плотный остаток не превышает 0,3г/100г сух. пор. На территории Центрального Предкавказья засоленность сарматских глин колеблется от слабой до высокой и изменяется от 0,29 до 8,3г/100г сух. пор, не одинакова в разных горизонтах сармата и в пределах каждого из них. Наибольшая засоленность наблюдается в элювиальной зоне, как нижнего, так и среднего сармата и доходит до 7,8-8,3г/100г сух. пор. По степени засоления сарматские глины Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья различаются между собой.

Анализ литологических особенностей сарматских глин позволил сделать следующие основные выводы.

а. Гранулометрический состав глин из Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья достаточно однородный, что свидетельствует о преимущественном сносе терригенного материала с одной геологической провинции – Русской платформы.

б. По степени засоления глин наблюдается существенное различие. Более засоленные глины (в среднем в 25 раз) распространены в Центральном Предкавказье, где они отлагались в условиях повышенной солености морской воды Сарматского моря, менее засоленные – в Северном Причерноморье, где морская вода опреснялась речным стоком с Русской платформы.

в. Повышенное содержание воднорастворимых солей в глинах Центрального Предкавказья нашло свое отражение в степени их агрегированности. Коэффициенты агрегированности среднесарматских глин для частиц размером менее 0,005 в 2,5 раза здесь выше, чем у глин Северного Причерноморья.

Глава 5. Физико-механические свойства сарматских глин

Состояние и физические свойства сарматских глин на изученной территории характеризуются некоторой неоднородностью по площади и глубине залегания, что связано с условиями осадконакопления и последующего изменения состояния и свойств отложений под влиянием процессов диагенеза, эпигенеза и выветривания, а также с тектоническими условиями района.

Средние значения природной влажности для глин Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья соответственно равны: 0,36, 0,33 и 0,23, 0,24; влажности предела текучести: 0,65, 0,67 и 0,48, 0,55; пористости: 50,5%, 48,5% и 40,5%, 40,2%; плотности: 1,74г/см³, 1,89 г/см³ и 2,00 г/см³, 2,03 г/см³.

Прочность глин, определенная методом консолидированного среза, выражается следующими средними показателями – Центральное Предкавказье: с = 0,5·105Па, φ = 30,5град.; Северное Причерноморье: с = (1,39 и 1,34)·105Па, φ = 9,4 и 20,3град. Остаточная прочность (по удельному сцеплению) у первых составляет: до 50%, у вторых до 20-25%.

Наиболее набухающими являются верхнесарматские глины Северного Причерноморья. Колебание величины свободного набухания составляет 0,21-0,32 (среднее 0,33). Эти глины характеризуются наибольшей (в регионе) дисперсностью и повышенным содержанием монтмориллонита в глинистой фракции. Наименее набухающими являются глины среднего сармата из Центрального Предкавказья, как залегающие на поверхности и подвергающиеся интенсивному воздействию атмосферных осадков зоны избыточного увлажнения и значительной агрегизации. Величина свободного набухания других сарматских глин реиона достаточно близкая, при средних значениях 0,20-0,26. Давление набухания глин из Центрального Предкавказья значительно меньше, чем у глин Северного Причерноморья и составляет в среднем (0,36 и 0,70)·105Па и (4,21 и 1,99)·105Па соответственно.

Существенные различия в составе, состоянии и физических свойствах сарматских глин Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья нашли свое отображение в их набухаемости и в показателях механических свойств. Более засоленные глины Центрального Предкавказья с повышенным содержанием монтмориллонита, распространенные в зоне избыточного увлажнения, а следовательно отличаются повышенной влажностью и невысокой плотностью, набухают меньше, чем одновозрастные менее засоленные глины из Северного Причерноморья, распространенные в зоне недостаточного увлажнения. Наибольшие различия в набухании наблюдаются в давлении набухания (на 1-1,5 порядка), в то время как по свободному набуханию различия менее ощутимы. Очень похожая ситуация и с прочностью. Величина удельного сцепления глин из Центрального Предкавказья в среднем в 3 раза меньше, чем у глин из Северного Причерноморья, однако угол внутреннего трения (на величину которого влияет степень агрегатизации грунтовых частиц и включений различных солей) у первых в среднем в 1,5-3 раза выше.

Анализировались реологические кривые состава глин нарушенного сложения и сейсмоакустические свойства глин природного сложения и грунтовых паст. Полученные регрессионные зависимости (рис.1) могут использоваться при выполнении работ по сейсмическому микрорайонированию сейсмоактивных территорий.

Рис. 1 Графики зависимости скорости распространения продольных волн Vр от показателей свойств сарматских глин Северного Причерноморья.

Глава 6. Изменение состава и свойств сарматских глин при взаимодействии с водой

Изучение влияния длительного взаимодействия глинистых пород с водой на изменение их свойств выполнялись на примере образцов средне - и верхне - сарматских глин с различными показателями степени дисперсности, минерального состава и состояния, ионно-солевого комплекса и типа структурных связей между грунтовыми частицами. Это позволило определить основные закономерности изменения свойств слабозасоленных глинистых пород, какими являются сарматские глины Молдовы и определить основные показатели состава и свойств, влияющие на характер устойчивости глин к длительному воздействию воды.

Исследования проводились в Институте геофизики и геоэкологии АН Молдовы методом лабораторного моделирования на приборах оригинальной конструкции. Выщелачивание осуществлялось в условиях непрерывного омывания водой образца высотой 2,5см и площадью 40см². В процессе опыта проводились регулярные замеры показателей свойств, а после его завершения выполнялся полный комплекс исследований грунта.

На рис.2 и 3 представлены графики изменения химического состава фильтрата в процессе выщелачивания образцов сарматских глин.

В случае выщелачивания слабо выветрелого «сильно засоленного» обр.1, содержащего в исходном состоянии включения пирита (рис.2), наблюдается интенсивный вынос растворимых солей. Наиболее интенсивно это происходит впервые 40-45 сут., после чего концентрация ионов в воде изменяется слабо. Характерно, что со временем начала выщелачивания непрерывно увеличивается вынос только одного иона – HCO3-, обеспечивающий удаление из грунта карбонатов кальция и уменьшение общей карбонатности. Несмотря на интенсивное удаление из выщелачивающего образца глины сульфат иона и карбонатов, общее содержание гипса в образце увеличивается. Вероятно, процессы окисления пирита с образованием гипса, превалируют над процессами его растворения и выноса из образца.

При выщелачивании «слабо засоленного» обр.114 (рис.3) содержание всех катионов в фильтрате уменьшится на протяжении первых 40-45 сут., после чего начинается медленно, но неуклонно увеличиваться. Исключение составляет только катион Na+. После снижения в фильтрате его содержания почти до 0, через 50 суток после начала выщелачивания, оно резко увеличилось и достигло максимального значения через 100 сут. от начала выщелачивания. Одновременно с этим аналогичная картина имеет место и с содержанием в фильтрате иона SO4-2. Через 50 суток от начала выщелачивания его содержание в фильтрате начало увеличиваться и достигло своего максимума через 88 сут. от начала выщелачивания. Таким образом, вследствие выщелачивания выветрелого, но «слабо засоленного» образца глины, содержащего в исходном состоянии значительное количество гипса (0,43%), через 100 сут. после выщелачивания его количество уменьшилось до 0,32%. Вынос иона SO4-2 и зафиксирован на рис.3.

Изменение степени дисперсности сарматских глин при длительном воздействии воды изучалось и для глин Северного Причерноморья. Ими установлено, что при длительном воздействии воды на образцы глины достаточно отчетливо наблюдается изменение дисперсности, заключающееся в уменьшении песчаной и пылеватой фракции и увеличение глинистой. Однако такие изменения являются не более чем тенденцией, т. к. при выщелачивании глин происходит интенсивное образование гипса, увеличивается содержание кремнезема и железа, которые могут способствовать агрегатизации грунтовых частиц.

1 - Ca+2, 2 - Mg+2, 3 - Na+, 4 - K+, 5 - Cl-, 6 - SO4-2, 7 - HCO3-

Рис. 2 Изменение химического состава фильтрата в процессе выщелачивания «сильно» засоленных глин (обр.1, сух. ост.0,3775г/100г сух. пор.)

1 - Ca+2, 2 - Mg+2, 3 - Na+, 4 - K+, 5 - Cl-, 6 - SO4-2, 7 - HCO3-

Рис. 3 Изменение химического состава фильтрата в процессе выщелачивания «слабо» засоленных глин (обр. 114, сух. ост. 0,0098г/100г сух. пор.)

Выполненные исследования позволили разработать метод прогноза показателей прочности глин в основаниях инженерных сооружений при их длительном обводнении. За основу взята типизация сарматских глин Северного Причерноморья по устойчивости и обводнению, составленная (2004), в соответствии с которой глины разделяются на 4 типа от неустойчивых до устойчивых к обводнению.

Для прогноза предложен метод вероятностных аналогий с лежащей в его основе теоремой (формулой) Байеса, которая формулируется следующим образом. Пусть А1, А2, … – попарно несовместимые события, хотя бы одно из которых обязательно наступит, Вi – некоторые события. Тогда вероятность реализации событий , при условии, что наступит событие , выражается формулой:

где

– условная вероятность события при фактическом наступлении события ;

– вероятность реализации события при данном ;

  – априорная вероятность наступления события , равная для нашей выборки: 0,21, 0,38, 0,29, 0,12 – для I…IV типа глин по устойчивости соответственно.

В качестве прогнозных признаков использованы показатели свойств сарматских глин, имеющиеся в архиве любой производственной изыскательской организации: W, WL, , .

Для каждого из этих признаков по территории – аналогу определены эмпирические оценки вероятностей (пример представлен в табл.2). Отнесение образца глины к тому или иному типу по устойчивости к обводнению осуществляется по максимальной вероятности, рассчитанной по формуле Байеса. После определения типа по устойчивости, можно рассчитать нормативные значения показателей прочности образца глины, используя для этого корректировочные коэффициенты (Куст, с, Куст, j), рекомендованные для вышеуказанной типизации сарматских глин (для удельного сцепления с, и угла внутреннего трения φ).

I тип Куст, с = 0,22; Куст, j = 0,55;

II тип Куст, с = 0,31; Куст, j = 0,67;

III тип Куст, с = 0,44; Куст, j = 0,88;

IV тип Куст, с = 0,74. Куст, j = 0,90.

Таблица 2

Эмпирические оценки вероятностей показателей влажности

на пределе текучести, используемые для прогнозирования

устойчивости глин к обводнению

Интервалы значений WL	Типы по устойчивости к обводнению
I	II	IV	IV
более 0,7	0,02	0,01	0,02	0,01
0,7-0,6	0,04	0,03	0,05	0,01
0,6-0,5	0,11	0,17	0,05	0,01
0,5-0,4	0,04	0,13	0,08	0,05
менее 0,4	0,01	0,03	0,08	0,05

Для проверки надежности предлагаемого метода прогнозирования прочности сарматских глин выполнены замеры прочности на контрольной партии образцов, отобраных из глин среднего сармата на территории г. Кишинева. Образцы выщелачивались по приведенной выше методике. После этого, методом испытания на срез определены их показатели прочности. Одновременно показатели прочности были определены разработанным методом вероятностных аналогий. Различия в показателях удельного сцепления с и угла внутреннего трения φ, определенных обеими методами, составляет 10 – 11%. Примечательно, что отклонения по удельному сцеплению и углу внутреннего трения имеют разные знаки, что свидетельствует в пользу предлагаемой методики.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

а. Главным критерием, определяющим ход химических процессов при диффузионном выщелачивании слабозасоленных сарматских глин Северного Причерноморья, является степень их выветрелости и наличие включений пирита. Наиболее активно выщелачиваются выветрелые глины, не содержащие пирита. Уже через 45 суток от начала опыта достигается их максимальное разуплотнение и разупрочнение, прочность снижается в среднем в 4 раза. Глины, содержащие в исходном состоянии пирит, характеризуется замедленным выщелачиванием. Максимальное их разуплотнение и разупрочнение достигается к концу опыта и не превышает в среднем 2 раза.

б. Типизация сарматских глин Северного Причерноморья по устойчивости к обводнению, разработанная может служить основой для прогнозирования показателей прочности выщелоченных глин в основаниях инженерных сооружений.

в. Прогноз прочности сарматских глин Центрального Предкавказья так же возможен с использованием указанной методики. Однако этому должны предшествовать типизация глин региона по устойчивости к обводнению, подбор прогнозных факторов и эмпирическая оценка их вероятностей.

ВЫВОДЫ

1. Сарматские глины в краевых прогибах юга Русской платформы служат основанием инженерных сооружений на значительной территории Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья, и часто являются причиной образования на склонах оползней.

2. Глинистые породы сармата накапливались в Сарматском морском бассейне, восточная часть которого характеризовалась повышенной соленостью воды, по сравнению с западной, где происходило разбавление речным стоком с Русской платформы. Вследствие этого, на востоке сформировались глинистые породы с более высокой минерализацией порового раствора, чем на западе.

3. Различия в химическом составе поровых вод обусловили разную степень агрегатизации грунтовых частиц: на востоке – более высокую, чем на западе, что нашло свое отражение в существенном различии микроагрегатного состава глин обеих регионов при достаточно одинаковом их гранулометрическом составе. Последний, свидетельствует об одной площади сноса терригенного материала - Русской платформы.

4. Постгенетические преобразования глинистых пород, вследствие залегания их в различных по степени увлажнения климатических зонах, совместно с разными условиями осадконакопления обусловили различия в показателях физических свойств глин обеих регионов: на востоке это более влажные, менее плотные, сильнопористые отложения, а на западе – прямо наоборот.

5. Все различия в составе и физических свойствах глин обеих регионов нашли свое отражение в их набухаемости и прочности. Более засоленные глины Центрального Предкавказья, отличающиеся повышенной влажностью, набухают меньше, чем одновозрастные отложения из Северного Причерноморья. Давление набухания первых в среднем на 1 порядок меньше, чем вторых. Такая же закономерность имеет место и с прочностью, но различия в показателях прочности несколько меньше.

6. Выщелачивание менее засоленных глин Северного Причерноморья в лабораторных условиях показало, что вследствие разуплотнения прочность их снижается в 2-4 раза, в зависимости от наличия в исходном образце пирита. Более интенсивно разуплотняются и разупрочняются глины, не содержащие пирита.

7. Прогноз прочности сарматских глин, подвергающихся длительному воздействию воды в основаниях инженерных сооружении, достаточно надежно может осуществляться методом вероятностных аналогий с использованием эмпирических оценок вероятностей прогнозных факторов региона-аналога.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,

определенных ВАК

1.  Оценка устойчивости сармат-меотических глин к длительному обводнению / , , , // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2010. № 1. С. 62-68.

2.  , К вопросу определения показателей прочности сарматских глин на оползневых склонах. Вестник ВолгГАСУ, 2007, выпСер. Арх. и стро-во. С.33-36.

3.  , Влияние физико-механических характеристик на сейсмоакустические свойства сарматских глин // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. ВыпС. 7-11.

4.  , Реологическая оценка сарматских глин как основа регионального прогноза оползней течения // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Вып.С. 13-16.

Публикации в других изданиях

5.  Особенности инженерного освоения территорий, сложенных дисперсными структурно-неустойчивыми грунтами (просадочными и набухающими) , , , , // Инженерная геология. 2009. № 3. С. 28-30.

6.  , Прогноз прочности набухающих глин при длительном выщелачивании // Материалы ежегодной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ, 24-27 апреля 2007 г. : в 3 ч. Ч. 2.: Естественные науки. Технология строительного производства. Тепло-, газо - и водоснабжение. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2007. С. 177-180.

7.  , Прогнозирование прочности глинистых грунтов методом вероятностных аналогий // Ежегодная студенческая научно-техническая конференция ВолгГАСУ. Волгоград, 24-27 апреля 2007 г. : сб. ст. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2007. С. 203-206.

8.  , , Геоэкологические проблемы строительства на дисперсных грунтах // Актуальные проблемы современного строительства. Ч. 1. : Фундаментальные и прикладные исследования в области технических наук : материалы Междунар. науч.-техн. конф. Пенза : Изд-во ПГУАС, 2007. С. 238-242.

9.  , Зависимость скорости прохождения упругих волн от показателей свойств сарматских глин // Сергеевские чтения. Вып. 10: Международный год планеты Земля : материалы годичной сессии Науч. Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. М. : ГЕОС, 2008. С. 501-506.

10.  , , Оценка прочности сарматских глин на оползневых склонах // Сергеевские чтения. Вып. 10 : Международный год планеты Земля: материалы годич. сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инж. геологии и гидрогеологии, 20-21 марта, 2008 г. М. : ГЕОС, 2008. С. 20-24.

11.  , Эколого-геологическая оценка массивов структурно-неустойчивых (просадочных и набухающих) грунтов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г. : [в 3-х ч.]. Волгоград : [ВолгГАСУ], 2009. Ч. II. С. 234-237.

12.  Общая и остаточная прочность сарматских глин. / , , , . Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии: тр. Междунар. науч. конф., Москва, геол. фак. МГУ, 25-26 мая. – М.: Изд-во Моск. Ун-та, 2010. – С. 226-227.

Инженерно-геологические особенности сарматских

глин краевых прогибов юга Русской платформы

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Подписано в печать 04.05.2011 г. Формат 60х84/16

Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 000

____________________________________________________________

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Сектор оперативной полиграфии ЦИТ

г. Волгоград, ул.